I. Фаза начальных изменений

1) физиологических условиях кислород свободно проникает путем диффузии внутрь митохондрии, где и становится конечным акцептором электронов в системе транспорта электронов, обычно называемой дыхательной. Транспорт электронов по дыхательной цепочке обеспечивает вектор-перенос протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, сохранивший концентрационный градиент протонов обеспечивает энергией образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата, и, кроме того, прямо обеспечивает транспорт Са²⁺ из цитоплазмы в митохондрии, связанный взаимным обменом Ка⁺ (выводится из митохондрий) и Н⁺ (поступает из цитоплазмы в митохондрии). В физиологических условиях протоны никаким другим способом не могут пройти через внутреннюю митохондриальную мембрану.

2) В случае снижения или даже прекращения притока кислорода возникает следующая ситуация: прекращается транспорт электронов по дыхательной цепи (им не на что связываться), а в результате этого прекращается со-Ьшне градиента протонов. Исчезновение их градиента проявляется несколькими способами: прекращается транспорт Са²⁺ внутрь митохондрии и, более того, отмечается обратно направленное движение этих ионов, так как обычно концентрация Са²⁺ в митохондриях (порядка нескольких ммоль/л) в тысячу раз превышает таковую в цитоплазме (порядка нескольких мкМоль/л), прекращается выход Nа⁺ из митохондрии, и останавливается синтез АТФ. Следует отметить, что остановка всех указанных процессов происходит постепенно на протяжении нескольких минут.

В цитоплазме клетки повышается концентрация АМФ и РО^3-, изменяется соотношение [АТФ] / [АДФ]+[АМФ], повышается концентрация Са²⁺. Са²⁺ активирует протеинкиназу, переводящую неактивную фосфорилазу В в активную фосфорилазу А, которая, расщепляя гликоген, обусловливает появление в цитоплазме первого субстрата гликолиза. АМФ же активирует фосфофруктокиназу и тем способствует дальнейшему течению гликолиза. Пируват, возникающий как продукт гликолитического расщепления глюкозы (гликогена), однако не может подвергнуться окислительному декарбоксилированию и превратиться в ацетил-КоА. Избыток НАД-Н при участии лактатдегидрогеназы восстанавливается до лактата, концентрация которого в цитоплазме в течение первых 15 минут ишемии увеличивается более чем в 10 раз. Концентрация лактата в дальнейшем по мере протяженной ишемии увеличивается постоянно и равномерно. Концентрация же других промежуточных продуктов гликолиза практически не меняется.

Снижение рН (повышение концентрации Н⁺) в цитоплазме приводит к следующим последствиям: снижение активности фосфофруктокиназы вызывает снижение интенсивности гликолиза, и это при условии, что клетка еще обладает определенными запасами гликогена, которые так и остаются неиспользованными. В этот момент начинает проявляться значительный недостаток АТФ, который ранее частично покрывался гликолизом. Это в свою очередь приводит к следующим нарушениям: к повышению проницаемости мембран и, как следствие, к увеличению пассивного переноса ионов через мембраны; из митохондрий вместе с К⁺ начинают выходить и молекулы воды. Перемещение молекул воды влияет на структуру эндоплазматического ретикулума, который значительно расширяется. Поэтому, а также из-за отсутствия АТФ, останавливается синтез белков. Хроматин ядра все более и более концентрируется по его периферии.

Прогрессирующая недостаточность АТФ и перемещение воды и ионов в дальнейшем начинают сказываться на структуре клеточных органоидов.